Application of Double-difference Relocation Method Combined with Waveforms Cross-correlation on Earthquakes in the Three Gorges Reservoir Area
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摘要: 本文采用基于波形互相关算法的双差定位方法对三峡水库地震进行精定位和地震活动性分析。首先使用双谱互相关方法分析了三峡库区加密台网于2009年3月至2010年12月观测到的地震波形数据，并对波形互相关分析的结果进行了评价。基于结合获得的波形互相关数据使用双差定位方法对地震事件进行精定位研究，结果表明使用双谱法验证的波形互相关数据的定位精度要高于其他数据的结果，其东西向震源位置平均误差为3.2m、南北向为3.9m、垂直向为6.2m。重定位震中结果显示巴东神龙溪两岸微震分布明显呈现出3条近东西向的线性条带状，与地表小规模断裂和碳酸盐岩地层走向一致，揭示了库水主要沿着溶洞或者地下暗河渗透进而诱发地震活动，较强地震可能是微小地震贯穿活动面的结果。Abstract: In this paper, we applied the double difference location method based on waveform cross-correlation algorithm for earthquake precision positioning of the Three Gorges Reservoir (TGR). First we used bispectrum cross-correlation method to analyze the seismic waveform data of TGR encrypted networks in March 2009 to December 2010, and evaluate the quality of waveform cross-correlation analysis. Combining the waveform cross-correlation of data obtained, we used the double difference method to relocate the position of quakes. The results show that the location by using bispectrum verified waveform cross-correlation data is higher than other type of data, and the mean 2sig-errors in EW, NS and UD are 3.2m, 3.9m and 6.2m, respectively. The results also show that the Badong and Shenlong River quake in reservoir distribution is characterized by linear distribution of three nearly east-west, which is in accordance with the small faults and carbonate strata line of new tectonic period, revealing reservoir water main along the underground river or cave penetration induced seismic activity. A strong earthquake may be the result of a small earthquakes that broken through the active plane.
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引言
大地震发生后，及时开展流动测震观测，提高震区地震监测能力，是产出高质量地震序列目录的前提条件，是为监视、判断震情、抢险救灾以及科学研究提供可靠数据信息的有效手段。我国的地震应急流动观测从20世纪60年代至今，共经历了非传输型模拟流动台站观测模式、传输型模拟应急流动台网、数字化地震应急流动台网和虚拟动态数字地震台网4个阶段，设备技术指标、集成度、信号传输方式等各方面都经历了不断的发展（姜旭东等，2009）。目前，应急流动台远程监控主要通过中国地震台网中心JOPENS系统流服务软件SSS和地震设备厂家提供的监控软件实现（吴永权等，2013）。在架设测震应急流动台设备的过程中，现场工作队员通常使用安装有监控软件的笔记本电脑对仪器参数设置和数据质量进行监控，记录到的地震数据实时传输回流动台网中心的流服务器中。另外，在流动台观测过程中，观测点工作人员还需要定期巡查。在进行这些工作时，流动台站设备状态的监控成为至关重要的一环。研发一款可靠、稳定、操作简单的手持终端监控软件，用于帮助现场工作队和观测点工作人员进行数据传输监测和仪器控制则十分必要（戴波等，2016）。
目前，智能手机适合进行图形化状态显示和基本控制处理，并支持2G、3G和Wi-Fi通信，它通常有足够的存储空间和计算能力，并且提供了灵活的编程环境，是理想的存储和处理传感器数据的便携终端。相对于Android平台，IOS平台使用Xcode开发环境和Objective-C语言，该开发环境具有运行速度快、功能强大且安全性高等特点。在用户体验设计方面，IOS开发环境下进行的视觉设计更为便捷。在网络通信实现方面，IOS提供了一整套工具和API帮助开发者实现相关功能（黄镇彩等，2012）。本文以港震公司通用地震数据采集服务器（下文简称地震数采）为例，设计并实现了基于IOS平台的测震应急流动观测监控系统，该系统将实现地震数据获取和图形化显示，以及与地震数采之间的访问控制（网络通讯协议的解析）。
1. 系统设计方案
测震应急流动台包括观测仪器、数据传输和供电设备等。本系统总体框图如图 1所示。地震数采和智能移动终端（IOS设备）分别通过有线连接（网线）和无线连接（Wi-Fi）与协议转换器（4G无线路由器）交换数据，在地震应急现场建立可管理设备的局域网，在局域网环境内移动终端作为客户端直接与地震数采（服务器端）进行数据交换。协议转换器采用虚拟网络（VPN）技术通过无线通讯方式（CDMA/GPRS）与流动监控中心进行实时通讯（董一兵等，2015）。
图 1 测震应急流动台系统框图Figure 1. Schema of portable seismographic system in earthquake emergency本文涉及的地震数据采集器型号为港震公司生产的EDAS-24GN，该设备服务器的通信方式基于传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）。
2. 系统功能模块
基于移动平台的测震应急流动台监控系统的设计从流动台架设、巡查出发，并结合了移动平台的特点。所设计的系统包括用户登录、数据获取、波形绘制、状态监视、参数设置5大功能模块，如图 2所示。各个模块互相配合，实现对测震应急流动台的数据传输监测和仪器的控制。
（1）用户登录模块：用户需要输入用户名和密码，通过验证后才能使用系统其它功能。
（2）数据获取模块：获取有效的地震数据。
（3）波形绘制模块：实现地震数据波形的绘制，用户可以对图形进行缩放和拉伸。
（4）状态监视模块：远程监控系统状态，包括系统时钟、GPS经纬度和海拔高度、采集器温度等。
（5）参数设置模块：主要包括网络参数（地址、掩码、网关）、台站参数（台号、台站名称、台站缩写、台网标志）、地震计参数（采样率、量程、系统时间）等常用设置。
3. IOS客户端
测震应急流动台监控系统的登陆页面如图 3所示，登陆页面可供用户输入地震数采IP地址、端口号、访问用户名及密码。系统利用正则表达式对用户输入内容进行逻辑过滤，保证输入内容的规范性。在输入信息后，用户可选择将信息添加至列表，或者对列表中已有信息进行修改及删除。同时，登陆页面具有日志传输功能，方便记录监控系统与地震数采的交互信息，便于开发和调试人员监视交互事件，检查错误发生原因。
用户点击登陆页面的连接按钮后，便可进入系统主界面，如图 4所示。主页面主要显示的信息包括观测点信息、数采和地震计信息、经纬度和时间。地震数采会将实时采集到的数据上传至监控系统，监控系统获取数据后绘制成波形图，方便用户直观地监测实时采集数据的质量。主界面设计充分考虑了用户的使用习惯和使用场景，遵循简单、实用的原则。
在图 4所示的主界面中，用户可通过点击右上角的设置图标切换至状态界面，状态界面如图 5所示。左侧列表显示用户可进行的查询操作，当用户点击左侧列表中的某一参数，如台站参数，监控系统向地震数采发送查询指令，地震数采接收指令后将查询结果返回至监控系统，监控系统对查询结果进行解析，并将解析结果显示于列表右侧。此外，系统提供一种快速便捷的状态参数设置方法，用户可直接对右侧列表信息进行编辑，编辑完成后点击更新按钮，便可实现对该状态参数的设置操作。
4. 关键技术
4.1 通信协议解析
数据采集器同时使用控制端口和数据端口通信。在建立连接时，通过控制端口对用户进行验证并发出服务申请，其采用ASCII码通讯。数据端口用于数据服务和系统配置，采用二进制协议通讯。IOS客户端与数据采集器连接流程如图 6所示（孙贵成等，2015）。
IOS客户端与港震EDAS-24GN地震数据采集器之间数据交互依赖于自定义通信协议，协议范围包括波形数据服务和系统参数的查询与设置。
IOS客户端解析参数帧的流程如图 7所示。客户端首先监听数据端口，接收到参数帧后，利用帧同步字确定参数帧开始位置，并对参数帧进行“校验和”。“校验和”成功后，根据帧标志（包括查询帧、设置帧、响应帧、广播帧和错误帧）进行参数帧的解析。
代码中参数帧解析相关类的输入参数为解析得到的NSData类型的帧数据，返回参数为NSMutableArray数组。IOS客户端首先初始化数据类型为NSMutableArray的可变数组detailArray，并将数据类型为NSData的帧数据转换为Byte数组，随后利用参数帧结构表中定义的字段类型及字段长度进行参数帧解析，并将解析结果与字段名称整合为字符串，存储在可变数组detailArray中。程序加入了异常处理功能以提高稳定性，若在解析字段过程中有任何一处发生异常，以返回nil数组的方式结束，防止因解析异常而造成程序崩溃。
4.2 STEIM 2数据压缩算法与波形绘制方法
数采中的地震波形传输采用SEED格式的STEIM 2数据压缩算法，SEED格式是目前被广泛使用的标准化地震数据格式。STEIM 2算法是一种差分无损压缩算法，其原理是每一帧开头存储第一个样本值，后面只存储相邻的两个样本的差值，所以在解析地震波数据时候，首先需要获取信号采样率信息，然后提取初值和个点差值，最后根据时间序列恢复整体数据（王洪体等，2004）。
代码中波形绘制相关类输入参数为NSArray类型的数据体DataArray，DataArray为压缩数据解析及处理后得到二维数组，该数组的每一行为地震数据每个分量的数据，列数为采样点数。程序通过提取DataArray的行数和列数确定道数及采样点数，利用UIGraphicsGetCurrentContext方法获取当前上下文，利用CGContextSetLineWidth方法设置绘制线条宽度，建立CGPoint类型数组points，利用嵌套循环遍历DataArray中每个采样点并存储在points数组中，通过CGContextAddLines方法将采样点添加到当前上下文，并最终利用CGContextStrokePath方法将各个采样点绘制到用户视图。该程序同样加入异常处理功能以提高稳定性以及人机交互体验效果，同时利用委托传递消息机制实现分层解耦，若在绘制波形过程中有任何一处发生异常，利用委托对象返回绘制失败提示，若绘制完成同样返回绘制成功提示。
5. 结论和讨论
手持终端监控系统的出现，解决了测震应急现场工作快速获取流动台地震波数据和运行状态的问题，同时，该监控系统良好的人机交互界面满足了应急队员最迫切的信息需求。除此之外，移动智能终端在野外流动观测中有笔记本电脑无法比拟的机动性，与笔记本电脑相比，其低功耗的特点也是一大优势。因为移动平台硬件性能的限制，目前只实现了常用的监控功能，对地震数据质量监控等复杂功能的实现还需进一步研究。除此之外，应急队员对于流动台架设的现场环境情况也存在需求，如何配合相关硬件设计，对流动台架设现场的环境信息（现场影像、温湿度、光照）进行采集、显示是下一阶段的研究方向。总之，测震流动应急工作充满挑战，本监控系统将对地震流动应急起到积极作用。
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图 2 地震事件对在台站DTP（a）、LPT（b）的波形互相关示意图
黑色波形为事件242波形，红色为244波形，前两行中的P表示该台站地震目录P波走时，第三行中的CC为波形互相关系数，tdt为波形互相关P波到时差，tdiff为地震目录P波到时差
Figure 2. Waveforms showing correlation of event pair #1 from station DTP (a) and LPT (b)
图 3 三峡库区2种互相关系数评估柱状统计图
（a）P波传统互相分析结果统计图，纵坐标括号内数值为互相关记录条数，互相关系数统计间隔为0.01；（b）P波双谱验证互相关分析结果统计图，纵坐标括号内的第一个数值为互相关系数大于0.7的记录个数，第二个为总记录个数，3条竖线表示了CClim (l)=0.5，CClim=0.7，CClim (u)=0.9；（c）S波传统互相关分析结果统计，其余同图（a）；（d）S波双谱验证互相关分析结果统计图，其余同图（b）
Figure 3. Histogram of two kinds of cross-correlation coefficients in the Three Gorges Reservoir Area
图 4 三峡库区地震目录的震源距离统计图
Figure 4. Plot of total number of event pairs and separation distance of hypocenters
图 5 台站地震对和震相互相关系数分布图
（a）P波数据分布图；（b）P波互相关系数与震源距密度分布图，横坐标为各个台站记录到的同一地震对的震源距离，纵坐标为相应地震对的互相关系数，其中密度统计图统计间隔震源距为2km，互相关系数为0.1；（c）和（d）为S波分布图，其余同（a）和（b）。密度为对应矩形色块内的数据量与总数据量的比值，衡量的是色块内数据占总数据的比重，无量纲。
Figure 5. Distribution of event pairs and cross-correlation coefficient for all stations
图 6 地震走时曲线和和达曲线图
（a）为最小二乘剔除误差较大震相后走时曲线；（b）为初始震相走时曲线；（c）为剔除误差较大震相后的TS-TP曲线，红线为直线拟合结果vP/vS为1.73；（d）为初始Ts-Tp曲线
Figure 6. The travel time curves and Wadati plot
图 7 5244个地震事件的初始震中分布图、深度剖面图和统计图
（a）地震事件初始震中分布图；（b）震源深度沿着纬度方向的剖面图；（c）震源深度沿经度方向的剖面图；（d）震源深度统计图
Figure 7. Plots of distribution of space, depth and statistical results of 5244 seismic events
图 8 不同数据类型的hypoDD定位结果
（a）初始地震事件震中分布；（b）仅地震目录数据的hypoDD定位结果；（c）结合传统互相关分析与地震目录数据的hypoDD定位结果；（d）结合双谱验证互相关分析与地震目录数据的hypoDD定位结果。左上角数字为使用不同数据时获得的重定位地震事件数
Figure 8. Map view of relocation results from different type data by HypoDD
图 9 不同数据类型的hypoDD定位结果的深度和RMS分布图
（a）仅使用地震目录数据；（b）结合传统互相关分析与地震目录数据；（c）双谱法互相关分析与地震目录数据hypoDD定位结果，上图为经度方向的深度分布图，下图为经度方向的误差分布图
Figure 9. The distribution of depth and RMS from different data by hypoDD relocation
图 10 不同数据类型的双差定位结果误差统计
（a）—（c）为地震目录定位结果，（d）—（f）为结合传统互相关分析和地震目录定位结果，（g）—（i）为结合双谱验证波形互相关和地震目录定位结果
Figure 10. The histograms of statistical errors of different type data by hypoDD relocation
事件对242；244 2009-03-25 22：16：21.3 ML1.3；2009-03-25 22：17：17.3 ML 1.5 台站 互相关延时/s 互相关系数 震相 台站 互相关延时/s 互相关系数 震相 BJH -0.033 0.9852 P JJP -0.035 0.986 P CJP -0.03 0.9733 P LPT -0.023 0.9912 P DJW -0.016 0.9848 P BJH -0.04 0.9876 S DPC -0.015 0.9813 P CJP -0.039 0.9635 S DTP -0.029 0.952 P DJW -0.009 0.9976 S FJP -0.027 0.9887 P GJY -0.04 0.9719 S GJY -0.033 0.984 P LPT -0.015 0.9132 S 
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黄媛, 2008.结合波形互相关技术的双差算法在地震定位中的应用探讨.国际地震动态, (4):29-34. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJZT200804005.htm 黄媛, 杨建思, 张天中, 2006.2003年新疆巴楚-伽师地震序列的双差法重新定位研究.地球物理学报, 49(1):162-169. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200601022.htm 李强, 赵旭, 蔡晋安等, 2009.三峡水库坝址及邻区中上地壳P波速度结构.中国科学D辑:地球科学, 39(4):427-436. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK200904005.htm 蔺永, 马文涛, 2014.基于Matlab的三峡水库地震数据处理与分析.震灾防御技术, 9(3):447-453. doi: 10.11899/zzfy20140311 马文涛, 徐长朋, 李海鸥等, 2010.长江三峡水库诱发地震加密观测及地震成因初步分析.地震地质, 32(4):552-563. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZDZ201004004.htm 王清东, 朱良保, 苏有锦等, 2015.2012年9月7日彝良地震及余震序列双差定位研究.地球物理学报, 58(9):3205-3221. doi: 10.6038/cjg20150916 张广伟, 雷建设, 2015.2011年云南腾冲5.2级双震发震机理.地球物理学报, 58(4):1194-1204. doi: 10.6038/cjg20150409 赵翠萍, 2006.1997-2003年新疆伽师震源区特征的地震学方法研究.北京:中国地震局地球物理研究所. 赵旭, 李强, 蔡晋安, 2007.三峡库首区最小一维速度模型研究.大地测量与地球动力学, 27(专刊):1-7. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKXB2007S1000.htm Bannister S., Fry B., Reyners M., et al., 2011. Fine-scale Relocation of Aftershocks of the 22 February MW6.2 Christchurch Earthquake using Double-difference Tomography. Seismological Research Letters, 82(6):839-845. https://www.researchgate.net/profile/Stephen_Bannister/publication/234114637_Fine-scale_Relocation_of_Aftershocks_of_the_22_February_M-w_62_Christchurch_Earthquake_Using_Double-difference_Tomography/links/0912f50f50b07d1b1e000000/Fine-scale-Relocation-of-Aftershocks-of-the-22-February-M-w-62-Christchurch-Earthquake-Using-Double-difference-Tomography.pdf Bourguignon S., Bannister S., Henderson C. M., et al., 2015. Structural heterogeneity of the midcrust adjacent to the central Alpine Fault, New Zealand:Inferences from seismic tomography and seismicity between Harihari and Ross. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 16(4):1017-1043. doi: 10.1002/2014GC005702 Du W. X., Thurber C. H., Eberhart-Phillips D., 2004. Earthquake relocation using cross-correlation time delay estimates verified with the bispectrum method. Bulletin of the Seismological Society of America, 94(3):856-866. doi: 10.1785/0120030084 Hansen S. E., DeShon H. R., Moore-Driskell M. M., et al., 2013. Investigating the P wave velocity structure beneath Harrat Lunayyir, northwestern Saudi Arabia, using double-difference tomography and earthquakes from the 2009 seismic swarm. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 118(9):4814-4826. doi: 10.1002/jgrb.50286 Poupinet G., Ellsworth W., Frechet J., 1984. Monitoring velocity variations in the crust using earthquake doublets:An application to the Calaveras Fault, California. Journal of Geophysical Research, 89(B7):5719-5731. doi: 10.1029/JB089iB07p05719 Schaff D. P., Bokelmann G. H. R., Ellsworth W. L., et al., 2004. Optimizing correlation techniques for improved earthquake location. Bulletin of the Seismological Society of America, 94(2):705-721. doi: 10.1785/0120020238 Schaff D. P., Waldhauser F., 2005. Waveform cross-correlation-based differential travel-time measurements at the Northern California Seismic Network. Bulletin of the Seismological Society of America, 95(6):2446-2461. doi: 10.1785/0120040221 Waldhauser F., Ellsworth W. L., 2000. A double-difference earthquake location algorithm:Method and application to the northern Hayward fault, California. Bulletin of the Seismological Society of America, 90(6):1353-1368. doi: 10.1785/0120000006 Wessel P., Smith W. H. F., 1995. New version of the generic mapping tools. Eos, Transactions American Geophysical Union, 76(33):329. https://www.soest.hawaii.edu/gmt/gmt/pdf/GMT_Tutorial.pdf -
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